JP4923276B2 - 周波数変換装置の周波数応答の特徴付け方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、装置の周波数応答の特徴付けに関し、特に、広いシステム帯域幅をカバーする複数の中心周波数にて特定の広帯域幅をカバーする周波数変換装置の周波数応答を特徴付ける方法に関する。

入力信号を局部発振器からの周波数と組合せて入力信号を異なる周波数に変換するミキサの如き周波数変換装置は、無線周波数（ＲＦ）システムにおいて重要なコンポーネントである。ミキサにより、ある周波数ＲＦパワーを別の周波数のパワーに変換することによって、受信器における信号処理又は送信機における信号発生を一層容易にできると共に効率的にできる。最新のＲＦシステムにとって、周波数変換装置の影響がある信号経路に沿った線形歪を最小にすることは、通信システムにおけるエラー・ベクトル・マグニチュード（EVM: Error Vector Magnitude）の如き信号品質の必要条件に合わせるために重要である。

ＲＦ受信器において、ミキサは、どの信号経路においても単なる一つの基礎的要素である。ミキサは、信号経路内の前段及び後段の回路と共に、局部発振器（ＬＯ）駆動回路にも相互に作用し合うので、他の協働する回路を考慮する必要がある。総てのミキサは、完全には分離しておらず、複数のミキサ・ポートの間で漏れやフィードスルーが生じる。また、ミキサは、非線形装置であり、必然的に相互変調歪を生じる。１〜１０ＭＨｚ中間周波数（ＩＦ）の帯域幅であるシステムのように、従来の狭帯域幅のシステムにおいては、ミキサの周波数応答がほぼ理想的である、即ち、システム性能を大幅に劣化させることがなく、ミキサの帯域幅にわたって利得が平坦で位相がほぼ線形である。従来のスペクトラム・アナライザに含まれているようなＲＦ受信器は、この仮定に基づき、各中心周波数でのチャネル校正及びアライメントを単に実行する。

複数の中心周波数の間のＩＦ帯域幅にわたる周波数応答の違いは、無視される。このアライメント技術は、狭帯域幅システムでは、ほどよく良好に動作する。しかし、ＩＦ帯域幅が１００ＭＨｚ以上である信号経路を有するＲＦ装置の如き広帯域システムにとっては、ミキサ及び協働回路の間での相互作用が益々複雑且つ悪くなっている。関心のある帯域幅にわたるミキサの周波数応答が総ての中心周波数に対して同じであると仮定できる場合、エラーが生じることを考慮しなければならない。この結果、送信器が歪んだ信号を放射するか、及び／又は、受信器内にエラーが生じる。テスト機器においては、かかる歪やエラーにより、被試験ＲＦ装置が必要な規格を満足しているかを確実に判断することができないかもしれない。

特開２００５−２１７７３２号公報

そこで、周波数変換装置を用いるＲＦ装置を一層高精度とするために、広システム帯域幅用の協働回路と共に、特定の広帯域幅にわたる周波数変換装置の周波数応答を特徴付ける方法が望まれている。

本発明は、複数のチャネル帯域幅から成る特定の帯域幅の周波数変換装置の周波数応答を特徴付ける方法であって；中心周波数を有し、チャネル帯域幅を横切るように中心周波数がオフセットされる刺激信号を周波数変換装置の入力端に供給するステップと；刺激信号に応答して、刺激信号及び周波数変換装置の出力を測定して、中心周波数における周波数変換装置用の校正データとして、蓄積用の周波数応答を発生するステップと；刺激信号の中心周波数をＲＦ間隔分だけ変化させて、上述の供給及び測定のステップを繰り返して、特定の帯域幅をカバーするまで、各々が各中心周波数用である複数の周波数応答を発生するステップと；校正データとして蓄積する前に、基準中心周波数に対する各周波数応答を調整するステップとを具え；調整するステップは、各周波数応答をスケーリングし、基準中心周波数に対して正規化し、刺激信号は、複数のオフセット周波数をカバーし；これら複数のオフセット周波数は、中心周波数をまたぐ特定の帯域幅を定め；蓄積用の周波数応答は、特定の帯域幅にわたるマグニチュード及び位相の複素関数である。

本発明は、一連の周波数応答を生じる広システム帯域幅にわたって周波数変換装置を特徴付ける技術を提供する。周波数変換装置は、中心周波数及び周波数オフセットの２次元（２Ｄ）関数としてモデル化される。刺激発生器は、中心周波数を含み、且つこの中心周波数に対する特定の帯域幅をカバーするＲＦ信号を発生する。これには、中心周波数に関する周波数増分をステップ状とするか、帯域幅が上述の特定帯域幅以上の第２信号により中心周波数を変調する。周波数の広い範囲は、複数のチャネルを含んでおり、各チャネルが独自の中心周波数を有する。各チャネルに対して、一連のマグニチュード及び位相の測定値は、チャネルの特定帯域幅における中心周波数を中心とした複数の周波数オフセットの各々において、刺激と周波数変換装置の出力との両方を捉えたものである。

マグニチュード及び位相の測定値の対を比較し、これらの間の比が周波数変換装置の周波数応答を表す。ＲＦシステムの広帯域幅内の各チャネルに対して、これら処理を繰り返す。基準周波数の周波数応答に対してスケーリング（拡大／縮小）し、正規化することにより、各チャネルの周波数応答を校正データとしてコンパクトに蓄積できる。校正データを用いて、ミキサ能力の性能指数を求めるか、又は、送信器又は受信器のランタイム正規化期間中に校正データを用いて、所望中心周波数にて適切な逆フィルタを構成し、送信信号から歪を除去するか、受信器が処理した新内のエラーを低減する。

本発明の目的、利点及び新規な特徴は、添付図を参照した以下の詳細な説明から明らかになろう。

本願において、「校正」とは、外部のテスト機器を用いて装置を工場で校正することを言い、「正規化」又は「アライメント」とは、内部のテスト信号を用いて装置を自己校正することを言う。

図１は、各チャネルが特定の広帯域幅を有し、周波数の広いシステム帯域幅にわたり複数のチャネル・キャリアを有するコミュニケーション・システムを説明するグラフである。ここで、典型的なＲＦシフトは、数十ギガヘルツの広いシフト帯域幅にわたる多数のチャネルを有する。各チャネルは、独自の中心周波数ω_cと、最高の広帯域幅システムでは１００ＭＨｚ以上のオーダである特定のチャネル帯域幅ω_bとを有する。この広シフト帯域幅は、開始中心周波数ω₁から停止中心周波数ω₂までの周波数範囲をカバーする。装置のチャネル周波数応答H(ω, ω_c)は、次のようにモデル化される。
H(ω, ω_c) = H_R(ω + ω_c) H_M(ω, ω_c) H_IF(ω)
なお、Ｈは、全体のチャネル周波数応答である。Ｈ_Rは、ミキサに先立つＲＦ周波数応答である。Ｈ_Mは、ＲＦミキサの周波数応答である。Ｈ_IFは、ミキサに続く回路の組合せ周波数応答である。ωは、チャネル中心周波数ω_cからの周波数オフセットである。周波数応答は、マグニチュード（大きさ）及び位相の両方の情報を含む複素関数として表すことができる。その結果、周波数応答のマグニチュードは、複素周波数応答の絶対値として表すことができる。ミキサ及びそれに相互作用する回路が本質的に分離可能ではないことを認識して、組合せ周波数応答を特徴付け、これを送信器又は受信器の補正係数、若しくはミキサの性能指数として用いてもよい。

図２は、本発明により、ステップ状の連続波信号を用いて、周波数変換装置を含む被試験装置の周波数応答を特徴付けるシステムのブロック図である。初期校正期間中、ステップ状連続波（ＣＷ）信号発生器、掃引ＣＷ信号発生器、変調済みＣＷ信号（マルチトーン）発生器などの信号源１２は、被測定装置（ＤＵＴ）１４の各チャネルにわたって変化するＲＦ信号を発生する。このためには、中心周波数に対するチャネル帯域幅を横切るようにＲＦ信号の周波数をステップさせるか、中心周波数に対するチャネル帯域幅を横切るようにＲＦ信号の周波数を掃引させるか、チャネル帯域幅以上の周波数の第２信号により中心周波数を変調させるなどの処理を行う。説明を理解しやすくするために、以下の説明においては、信号源１２は、ステップ状ＣＷ信号発生器と仮定する。信号源（信号発生器）１２からのＲＦ信号をパワー分離器１６に入力する。このパワー分離器１６は、ＲＦ信号からのパワーの一部をＤＵＴ１４の入力ポートに供給すると共に、このパワーの一部と等しいパワー部分を第１パワー・メータ（ＰＭ１）１８にも供給する。第２パワー・メータ（ＰＭ２）２０は、ＤＵＴ１４の出力ポートに結合されている。パワー・メータ１８及び２０は、マグニチュードを測定するシステムである。比較器（ＣＭＰ）２２は、第１パワー・メータ１６が測定する各周波数ステップにおけるＲＦ信号のマグニチュードと、第２パワー・メータ２０が測定するＤＵＴ１４からのＲＦ信号出力のマグニチュードとを比較する。パワー・メータ１８及び２０の各々が測定したマグニチュードをｄＢ単位で比較した結果であるこれらの差は、特定チャネルにおけるＤＵＴ１４の周波数応答を表す。この校正処理を広システム帯域幅内の各チャネルについて行い、各チャネル又は中心周波数に対して分れた周波数応答を提供する。なお、ＤＵＴ１４は、前段のミキサ（プリ・ミキサ）Ｈ_Rと、ミキサＨ_Mと、後段のミキサ（ポスト・ミキサ）Ｈ_IFとを具えている。

図３は、本発明により、周波数変換装置の周波数応答を特徴付ける処理の流れ図である。特徴付け段階の間、信号発生器１２からのＲＦ信号を刺激信号として用いる。この信号は、パワー・メータ１８用とＤＵＴ１４用とに分離される。開始中心周波数ω₁でパワー測定を開始し（ステップ２４）、この信号の所定部分をＤＵＴ１４の入力端に供給する（ステップ２６）。各チャネルに対して、「ＩＦ周波数」ステップと呼ばれる所定周波数ステップを用いて、信号発生器１２がステップ状にこのチャネル帯域幅を横切る周波数を発生する。例えば、ω_b＝１００ＭＨｚで、ＩＦ周波数ステップが１０ＭＨｚならば、中心周波数ω_cに対して次の周波数に同調される。ω＝−５０ＭＨｚ、−４０ＭＨｚ・・・４０ＭＨｚ、５０ＭＨｚ。なお、ω_cにて、ω＝０である。各オフセット周波数に対して、刺激信号と装置（ＤＵＴ）出力とのマグニチュードを測定する（ステップ２８及び３０）。チャネル帯域幅にわたる各周波数ステップにて、パワー・メータ１８及び２０の測定値の差をｄＢで蓄積して、周波数応答を求める（ステップ３２）。ステップ３４にて、中心周波数ｆ_c＝ω₂になったかを判断し、ステップ３６にて中心周波数ｆ_cを所定のＲＦ周波数ステップ（ＲＦ間隔）分だけ増分して、上述の処理を繰り返す。

ＩＦ及びＲＦ周波数ステップ、即ち、ＩＦ及びＲＦ間隔を選択したので、任意の中心周波数にて補間エラーが生じるが、周波数オフセットは、考慮中の規格よりも非常に小さくなる。細かなステップにより良好な結果が得られるが、校正に長時間がかかり、校正データを保持するのに大きなデータ蓄積容量が必要となる。必要ならば、システムが最小位相システムであると仮定することにより、マグニチュード・データから位相データを求めることができる。この点は、例えば、２００５年１１月９日に出願された米国特許出願第１１／２７２２８５号（米国特許公開第２００７／０１０４２６１号）「マグニチュード測定データを用いるフィルタ等化」に記載されている。図４は、本発明により、変調済み信号を用いて、周波数変換装置を含む被試験装置の周波数応答を特徴付けるシステムのブロック図である。信号源４０は、変調済み信号を供給するので、ＤＵＴ１４に結合された測定機器４２を用いて、特定のチャネル帯域幅をカバーするＩＦ周波数にて、振幅（マグニチュード）及び位相を同時に直接的に測定できる。ステップ状ＣＷ信号に関して上述した手順と同様に、中心周波数をＲＦ周波数ステップだけ増分することにより、全体の広システム帯域幅をカバーできる。

校正結果をデータ蓄積手段に蓄積する前に、次の調整（図３のステップ３８）を行うことが好ましい。これらステップにより、校正データの量を減らし、任意所望の中心周波数におけるＤＵＴ１４の周波数応答を決定するための補間の精度を改善するのに役立つ。各チャネルの周波数応答を基準周波数に対してスケーリングし、便宜上、これは上述のアライメントの周波数でもよい。装置のチャネル周波数応答H(ω, ω_c)に関しては、次のようになる。
|H(ω, ω_c)|
= |H_R(ω + ω_c) H_M(ω, ω_c) H_IF(ω)| - |H_R(ω + ω_r) H_M(ω, ω_r) H_IF(ω)|
= |H_R(ω + ω_c) H_M(ω, ω_c)| - |H_R(ω + ω_r) H_M(ω, ω_r) |
なお、ω_rは、基準周波数又はアライメント周波数であり、マグニチュードの項目はｄＢで表される。各中心周波数における周波数応答に対しては、中心（ω＝０）の周波数応答から各周波数応答を次のように減算する。
|H₂(ω, ω_c)| = |H₁(ω, ω_c)| - |H₁(0, ω_r)|
なお、Ｈ₁は、特定チャネルに対するスケーリング調整したチャネル周波数応答であり、Ｈ₂は、そのチャネル用に蓄積した周波数応答である。

校正データから、校正に使用された全ＩＦ周波数に対するＲＦ周波数に沿って周波数応答を補間することにより、任意の中心周波数での周波数応答を決定できる。細かなＩＦ周波数分解能が望ましいならば、校正ＩＦ周波数ステップを用い、且つＩＦ周波数に沿った周波数応答を補間してもよい。いずれの場合も、３次スプラインの如き一般的な補間方法を使用できる。送信器の如き信号源はミキサも具えており、かかるミキサの周波数応答は、上述のように特徴付けができる。また、信号出力に先行歪を与えるように送信器に周波数応答を用いて、送信器内のミキサを補償できる。これは、ＲＦ装置をテストするために既知の特性のＲＦ信号を発生する必要がある高精度任意信号発生器に特に有用である。

上述の如く、それ自体の周波数応答が補正された受信器を用いることにより、既知の特性を有する信号の任意の変動は、信号源の周波数応答における変動とみなせる。かかる変動は、各信号源に対して明瞭にできるので、種々の変動をシグネチャとして用いて、どの信号源からの信号を受信したかを識別できる。

よって、本発明は、基準周波数に対して得た校正データを正規化して蓄積する校正データの量を減らし、校正データから任意の中心周波数における周波数応答を補間することにより、周波数応答をモデル化するために中心周波数及びオフセット周波数の２次元関数として周波数変換装置を特徴付けることができる。

各チャネルが特定の広帯域幅を有し、周波数の広いシステム帯域幅にわたり複数のチャネル・キャリアを有するコミュニケーション・システムを説明するグラフである。 本発明により、ステップ状の連続波信号を用いて、周波数変換装置を含む被試験装置の周波数応答を特徴付けるシステムのブロック図である。 本発明により、周波数変換装置の周波数応答を特徴付ける処理の流れ図である。 本発明により、変調済み信号を用いて、周波数変換装置を含む被試験装置の周波数応答を特徴付けるシステムのブロック図である。

符号の説明

１２ 信号源
１４ 被測定装置
１６ パワー分離器
１８、２０ パワー・メータ
２２ 比較器
４０ 信号源
４２ 測定機器

Claims (1)

1. 複数のチャネル帯域幅から成る特定の帯域幅の周波数変換装置の周波数応答を特徴付ける方法であって、
   中心周波数を有し、上記チャネル帯域幅を横切るように上記中心周波数がオフセットされる刺激信号を上記周波数変換装置の入力端に供給するステップと、
   上記刺激信号に応答して、上記刺激信号及び上記周波数変換装置の出力を測定して、上記中心周波数における上記周波数変換装置用の校正データとして、蓄積用の周波数応答を発生するステップと、
   上記刺激信号の中心周波数をＲＦ間隔分だけ変化させて、上記供給のステップ及び上記測定のステップを繰り返して、上記特定の帯域幅をカバーするまで、各々が各中心周波数用である複数の周波数応答を発生するステップと、
   上記校正データとして蓄積する前に、基準中心周波数に対する各周波数応答を調整するステップとを具え、
   該調整するステップは、各周波数応答をスケーリングし、上記基準中心周波数に対して正規化し、
   上記蓄積用の周波数応答は、上記特定の帯域幅にわたるマグニチュード及び位相の複素関数である周波数変換装置の周波数応答の特徴付け方法。

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